淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究及其应用.ppt

热烈欢迎各位专家、教授和领导参加“淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究及其应用”项目鉴定会,淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究及其应用研究报告,淮南矿业集团有限责任公司安徽理工大学煤炭工业部济南设计研究院,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,汇报主要内容,三圈孔冻结温度场形成规律及冻结壁稳定性研究新型高强冻结井壁力学性能研究冻结井壁高强高性能混凝土的研制及其应用可缩性新型高强冻结井壁结构设计理论研究冻结法凿井信息化施工监测分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,1立项背景,近年来，为缓解日益突出的能源瓶颈问题，黄淮地区新井建设速度明显加快。由于该地区浅层煤炭资源已近枯竭，新建矿井多具有穿越表土层深厚（400m700m）、地压大、地质条件复杂等特点，且多采用冻结法施工。如淮南矿业集团丁集矿，井筒穿过表土层厚532m左右；山东巨野矿区龙固矿，井筒穿过表土层厚度为570m左右；国投新集能源股份有限公司开发在即的板集煤矿、口孜集东煤矿井筒穿过第三、四纪表土层更深达600m左右。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,随着我国冻结法凿井深度的增加，对我国黄淮地区新井建设而言，目前面临的最大挑战是在以下诸多方面缺乏冻结法凿井穿越特厚表土层（500m）的理论基础和技术储备多圈孔冻结温度场分布规律;深埋冻土物理力学特性;冻结壁设计理论;冻结井壁结构及设计理论;新型高性能筑壁材料;凿井施工工艺等关键科学技术难题亟待研究突破。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,为此，在淮南矿业集团公司的统一组织领导下，成立了以业主为总牵头单位，由科研单位、设计与施工单位等参加的课题研究组，针对上述诸多研究内容，历时2年有余，潜心研究与工程实践，采取从理论研究出发，试验研究再现、工程应用实践检验研究方法，着力在冻土物理力学性能；多圈孔冻结壁温度场及冻结方式；冻结压力分布规律；特厚表土层的冻结壁强度和稳定性；,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,新型高强冻结井壁结构及其力学特性；井壁结构设计理论；新型高强高性能筑壁材料；冻结与井筒掘砌施工工艺等。通过攻关研究，取得了一系列科研成果，攻克了500700m特厚表土层冻结法凿井关键技术难关，并在淮南矿业集团丁集矿三个井筒得到了成功应用，取得了十分显著的社会与经济效益，有力地推动了我国建井科学技术发展。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,2特厚表土层三圈孔冻结温度场形成规律及冻结壁稳定性研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,（a）初始构形（b）现时构形,冻土试件为圆柱体，试件变形前后的尺寸如图所示，,2.1冻土物理力学特性研究,冻土的有限变形本构关系的实验研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,三轴蠕变试验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室完成的，试验设备为MTS-810低温三轴测试系统。,MTS-810低温三轴测试系统,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻土三轴蠕变试验取两种土样（淮南矿业集团丁集矿），分别为含钙粘土（取样深度420.0436.0m）和泥质砂砾层（取样深度509.46521.46m）。,冻土试件,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,1σ1-σ32.47MPa，2σ1-σ34.47MPa，3σ1-σ35.47MPa，4σ1-σ35.81MPa图2-4冻结含钙粘土的三轴蠕变曲线（T-15℃，σ35.7MPa）,,1σ1-σ34.37MPa，2σ1-σ34.7MPa图2-5冻结泥质砂砾层的三轴蠕变曲线（T-15℃，σ36.8MPa）,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻土蠕变参数表,根据有限变形理论，给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式并根据冻土三轴蠕变实验结果得出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。,,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻土的强度随围压的变化表,冻土强度特性实验研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,图2-6含钙粘土强度随围压的变化（温度-15℃）,,图2-7泥质砾砂层强度随围压的变化（温度-15℃）,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结含钙粘土和泥质砾砂层的强度随围压的变化明显可分为三个区第一区随围压的增大强度随之增大；第二区随着围压的继续增大，强度随之降低；第三区冻土强度随着围压的再次增大，强度又随之增加。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,主井（丁集矿）数值计算模型图,2.2冻结壁稳定性分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,水平位移等值线图（单位为m）,竖向位移等值线图（单位为m）,冻结壁厚度12m，计算深度430m，开挖段高2m，暴露时间24小时。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结壁厚度12m，计算深度520m，开挖段高1.5m，暴露时间24小时。,水平位移等值线图（单位为m）,竖向位移等值线图（单位为m）,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,,a计算深度430m，开挖段高2.0mb计算深度520m，开挖段高1.5m开挖段高内冻结壁水平位移曲线图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,根据冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数，计算分析了特厚表土层冻结壁力学特性，得出结论如下冻结壁厚度与其水平位移量成反比。开挖段高为2.0m的冻结壁，最大水平位移位于1.4m处；开挖段高为1.5m的冻结壁，最大水平位移位于1.0m处。这与冻结壁施工过程中的实测结果最大冻结壁水平位移位于开挖段高的1/3处相符合。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结壁开挖段底部水平位移并不为0，这部分位移是由于底鼓引起的，而在实测过程中这部分位移量无法测得。综合比较不同冻结壁厚度、计算深度和开挖段高的计算结果，以冻结壁水平位移为主要控制参数，建议丁集煤矿副井冻结壁设计厚度为12m，冻结壁设计温度为-15℃；风井冻结壁设计厚度为11m，冻结壁设计温度为-15℃。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,主井（丁集矿）数值计算模型图,2.3三圈孔冻结温度场分布规律及方案设计优化,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,主井方案一冻结130day后温度场分布图,主井方案一冻结160day后温度场分布图,主井方案一冻结190day后温度场分布图,主井方案一冻结220day后温度场分布图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,通过以上对丁集矿三圈孔冻结温度场方案设计优化研究，确定主、副井三圈孔最优冻结方案如下,主、副井最优冻结设计方案表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,由温度场数值模拟结果可知在积极冻结期冻结壁的扩展速度较大，平均扩展速度为18.5mm/d，冻结壁有效厚度已达到设计厚度。到了维护冻结期，由于供冷量的控制，冻结壁的扩展速度较为缓慢，冻结壁有效厚度的发展趋于稳定。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,特厚表土层新型高强冻结井壁力学性能研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,3.1高强高性能混凝土井壁结构实验,高强钢筋混凝土井壁模型实验正交设计表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,高强井壁结构模型图,高强钢筋混凝土井壁C1模型钢筋网图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,高强钢筋混凝土井壁模型浇筑图,高强钢筋混凝土井壁模型试件图,高强井壁试验测试线连接图,高强井壁试验加载装置图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,混凝土井壁试件测点布置图,井壁试验数据实时采集与处理系统图,高强井壁试验加载图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,,C-2试件混凝土荷载～环向应变曲线,C-2试件钢筋荷载～环向应变曲线,,C-3试件混凝土荷载～环向应变曲线,,C-3试件钢筋荷载～应变曲线,井壁的变形特征,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,C-3试件混凝土荷载～环向应力曲线,C-3试件钢筋荷载～环向应力曲线,C-2试件混凝土荷载～环向应力曲线,C-2试件钢筋荷载～环向应力曲线,井壁截面应力,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,研究结果表明二轴受压试验中混凝土抗压强度提高系数一般不超过1.5倍，在三轴受压试验中混凝土抗压强度一般可提高2～4倍。井壁属厚壁圆筒结构，外侧混凝土处于三向受压状态，内侧混凝土虽处于二向应力状态，但鉴于弧形结构的特殊约束性，井壁混凝土抗压强度介于二轴受压和三轴受压之间，这与本试验结果是一致的。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁试件破坏特征与机理由于高强钢筋混凝土井壁在破坏前内部积聚大量能量，所以试件破坏时发生的破裂声比普通钢筋混凝土井壁大。井壁破裂时，有大块的脱落，并出现斜向断裂裂纹，环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲。断裂面发生在井壁混凝土内部质量较差处，主要破坏面与井壁切向呈小于45度的夹角，属压剪破坏。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,C-3模型试验破坏形态图,C-1模型破坏形态图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁极限承载力,井壁模型极限承载力试验结果表,对于高强钢筋混凝土井壁，由表可见，在均匀外荷载作用下，其极限承载力是很高的，比钢筋混凝土内壁设计荷载4.6MPa要大得多，设计的井壁是足够安全的。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,根据试验结果，可得钢筋混凝土井壁承载力与混凝土强度、配筋率的关系如下图所示。,钢筋混凝土井壁承载力与混凝土强度关系图,,钢筋混凝土井壁承载力与配筋率关系图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,关于高强钢筋混凝土井壁承载力的确定，目前还没有合适的计算公式。为此，下面根据试验结果，通过结构塑性分析极限平衡法，推导出高强钢筋混凝土井壁的极限荷载计算公式。,,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,内层钢板钢筋混凝土复合井壁实验设计表,3.2内钢板钢筋混凝土复合井壁结构试验研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,试验加载装置,钢板井壁模型试件图,钢板井壁试件应变测点布置图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁的变形特征在试验荷载作用下，试件的荷载-应变曲线见下图。内层钢板井壁在加载初期内缘应变随荷载逐渐增大，且内缘应变大于外缘应变。当井壁接近破坏时，内层钢板在局部地方发生屈曲变形。,,G-4试件荷载～应变曲线,,G-4试件荷载～径向位移曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,G-4试件钢板内缘、混凝土外缘荷载应力曲线图,,G-4试件内、外钢筋荷载应力曲线图,井壁截面应力,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁试件破坏特征与机理对于内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁，井壁破裂时，出现斜向的断裂裂纹，内层钢板出现向内屈服。,G-1模型（钢板井壁试件）破坏形态,G-2模型（钢板井壁试件）破坏形态,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,内钢板井壁模型极限承载力试验结果表,井壁极限承载力,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,荷载与内缘混凝土环向应变关系曲线,,荷载与内缘混凝土环向应力关系曲线,3.4特厚表土层钢筋钢纤维高强混凝土井壁试验研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,本课题提出新型高强高性能混凝土井壁和钢板内层井壁，在600m特厚表土层荷载作用下，混凝土和钢板的环向应变均较小，井壁处于弹性工作状态，试验结果可作为下一步现场信息化监测的分析依据。,3.５结论,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,新型高强钢筋混凝土井壁和内层钢板均具有较高的承载能力，可以满足600m左右特厚表土层立井井壁的设计要求。在丁集矿井设计计算荷载的作用下，井壁结构中材料的环向应力约为极限值的1/4左右，从而说明设计的井壁结构是安全可靠的。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁结构中的混凝土处于复杂应力状态下，试验结果表明，其抗压强度得到了较大程度的提高，在井壁结构校核时，应考虑其强度提高系数。高强钢筋混凝土井壁承载能力随着混凝土强度等级的提高而明显增大。在相同条件下，内层钢板井壁比高强钢筋混凝土井壁承载能力提高约13.6％。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,钢筋钢纤维高强混凝土井壁具有很高的承载力。如将目前井壁中使用的混凝土强度等级从C40～C50提高到C80，则井壁的承载力可大大提高，可以合理地解决500m～700m特厚表土层中煤矿井筒的支护难题。由于钢纤维具有阻裂、增强和增韧作用，使得钢筋钢纤维高强混凝土井壁的极限承载力比普通高强钢筋混凝土井壁高，是一种理想的超高强井壁结构形式。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,可缩性井壁接头原型图（以副井415m为例）,3.６冻结井可缩性井壁接头力学特性研究冻结井可缩性井壁接头试验研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,,a侧向加载试验b三轴加载试验,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,a侧向加载模型b三轴加载模型加工好的可缩性井壁接头试验模型,井壁接头,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,可缩性井壁接头计算模型图,冻结井可缩性井壁接头的力学特性数值分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,可缩性井壁接头试验和数值计算结果比较表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,试验和现场分析表明，针对600m特厚表土层提出的可缩性井壁结构形式，具有良好的竖向可缩性，很高的可卸压能力，可靠的防水、防漏性能。与设置单可缩性井壁接头相比，双层可缩性井壁接头具有可缩量大、对内层井壁竖向应力衰减率高等优点。以丁集矿副井计算结果为例，单可缩性井壁接头衰减内层井壁竖向附加力39.16％，而双接头可衰减59.43％左右。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,特厚表土层冻结井壁高强高性能混凝土的研制及其应用,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.1概述,根据井壁设计理论可知，提高冻结井壁承载能力的最为经济有效的措施就是提高井壁中的混凝土强度等级，采用高强混凝土。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,与桥梁、水利和高层建筑等一些地面工程相在深冻结井中使用C60～C80级高强高性能混凝土，主要存在以下技术难点在特厚表土层冻结井筒中，内、外层井壁的单层厚度已由原先的0.7m左右增大到现在的1.2m左右，属于大体积混凝土工程，施工过程中裂缝控制难度很大；冻结壁设计平均温度低（15℃左右），井壁混凝土的内外温差大，冻结井壁混凝土养护环境恶劣.,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.2高强高性能混凝土配制原则,深冻结井筒高强高性能混凝土配制应满足以下原则早强、防冻，3天强度应达到设计强度的80以上，7天强度应达到设计值；外壁混凝土浇筑后，8小时可拆模；配置工艺简单；材料来源本土化，成本低；混凝土工作性好，塌落度达到180mm，便于混凝土输送和浇灌；低水化热，高耐久性。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.3高强高性能混凝土配制途径,高强高性能混凝土的基本要求是混凝土应具有良好的耐久性、工作性和强度。一般情况下，高性能混凝土应具备高施工性、高抗渗性、高体积稳定性（硬化过程中不开裂，收缩徐变小）、较高强度（C60级以上），并保持后期强度持续增长，最终获得高耐久性能。配制高强高性能混凝土的途径为采用高标号水泥、高效减水剂、矿物掺合料和优质骨料。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.4原材料选择,水泥骨料高效减水剂矿物掺合料,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.5配制强度及配合比,根据混凝土配合比设计规程，C60～C70混凝土配制强度如表所示,C60～C70强度等级混凝土配制强度一览表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.6试验结果及其分析,各组试验混凝土原材料、配合比及其3天、7天和28天的强度见报告表4-10、4-11（p95p99）所示。由该表可见，试验采用的配合比能满足特厚表土层冻结井壁高强高性能混凝土配制要求。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.7深冻结井施工工况下高强高性能混凝土模型试验研究,为了搞清深冻结井施工工况条件下高强砼的施工可行性、水化热变化规律和强度增长情况，进行了物理模型试验。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,模型尺寸及参数确定,模型依据丁集矿副井-410mm处进行设计，模型在竖向截取0.5m高，环向截取1.2m宽。,,模型平面布置图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,盐水制冷设备图,温控设备图,,热电偶串,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,热电偶的标定,,冻结管平面布置图,,热电偶布置图,TDS-303测试仪器,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,a.热电偶b.混凝土浇筑前冻结,c.混凝土浇筑,试验模型及试验过程,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,模型取芯试验结果,砼取芯位置图,砼取芯试件试压破坏情形图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,模型取芯强度与试块强度对比（龄期10d）,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.8C70高强高性能混凝土的工程应用,淮南矿业（集团）有限责任公司丁集矿井设计有主、副、风三个井筒，三个井筒表土段均采用冻结法施工。为了抵御强大的外荷载作用，井壁结构设计中采用了C60、C65和C70高强高性能混凝土。在深冻结井筒中，使用如此高强度等级的高性能混凝土，在国内、外的建井史上还是头一次，此技术难度是相当大的。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,为了确保混凝土的加工质量，丁集矿井建立了国内矿井建设工程中较为先进的大型混凝土集中搅拌站，其实景如图所示。,丁集矿井混凝土集中搅拌站图,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,作为高强高性能混凝土，其在生产、施工过程中的主要工序，拌合物的坍落度、混凝土的早期强度和28d强度，是混凝土质量控制的关键所在。除制定完整的质量管理组织体系和明确各自的岗位职责外，还应从原材料的控制、生产工艺的保证、施工工艺的落实上着手，保证施工的混凝土满足要求。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,工程应用效果,C70高强高性能混凝土在丁集矿井特厚表土层中首次使用，应用表明，施工配合比符合工程实际要求，从加工、运输到施工都比较方便，选用原材料也经济合理。现将主井外壁C70高强高性能砼试块强度统计结果列于下表中，由该表可见，砼强度满足设计要求。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,4.9小结,根据特厚表土层冻结井壁的受力特点和现浇混凝土的施工、养护环境，通过大量的室内配制试验研究，得到了深冻结井、高流态、大体积混凝土工程配合比。在采取一系列有效技术措施后，在丁集矿井三个井筒冻结段成功地应用了C60～C70高强高性能混凝土，取得了显著的社会经济效果。在冻结井筒使用C70高性能混凝土，这在国内、外建井史上还是第一次，工程成功应用，对我国特厚表土层冻结井壁的设计和施工，具有重要的推广应用价值。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,特厚表土层可缩性新型高强冻结井壁结构设计理论研究,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,5.2井壁结构概率极限状态设计法,目前，冻结井钢筋混凝土井壁结构设计主要采用“允许应力法”，与之相对应的设计值取自钢筋混凝土设计规范（GBJ10－74）。该设计法存在着许多不合理之处，如计算模式不精确、设计指标不统一、安全度水准不一致等。设计单位为了改进这种落后的设计方法，在进行冻结井壁结构设计时，尽管仍沿用采矿设计手册所规定的设计计算方法，但将设计的混凝土强度由标号改成等级，将材料的设计强度按混凝土结构设计规范（GBJ10－89）取值，混凝土质量控制采纳了新的标准，但验收规范没有相应配套。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结井钢筋混凝土井壁结构概率极限状态设计法的实用表达式为,,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,5.3现行井壁设计方法,冻结井壁结构设计目前主要按煤矿矿井采矿设计手册（1984年出版）和采矿工程设计手册（2003年出版）进行，在进行井壁结构计算之前，首先对混凝土强度提高系数的取值问题进行分析。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,混凝土强度提高系数,冻结井壁是一种深埋于地下的厚壁圆筒结构物，其中的混凝土是处于多轴受压状态下的，其混凝土强度特性与单轴受力情况时不相一致，混凝土抗压强度将得到显著提高，根据过去的井壁试验结果，混凝土抗压强度将提高1.7～2.68倍，而目前井壁结构设计时没有考虑这一点，内壁计算结果过于偏于安全。国外从60年代起就相继开展了混凝土多轴强度的研究并编入相应的规范中，根据现有研究成果表明，二轴受压试验中混凝土抗压强度提高系数一般不超过1.5倍，在三轴受压试验中混凝土抗压强度一般可提高2～5倍。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,根据前面井壁模型破坏试验的极限承载力，采用极限平衡法可求得井壁结构破坏时截面的平均最大环向应力，将最大环向应力值与混凝土轴心抗压强度之比，称为混凝土抗压强度提高系数采用上面公式，求得本次内壁模型试验的混凝土抗压强度提高系数如下表所示。,,模型试验混凝土抗压强度提高系数表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,由表可见，对于井壁这种厚壁圆筒结构，外侧混凝土处于三向受压状态，内侧混凝土虽处于二向应力状态，再加上其弧形结构的特殊约束性，因而井壁中混凝土抗压强度提高系数将介于二轴受压和三轴受压数值之间，本次试验结果与国内、外的研究成果是一致的。根据现行的钢筋混凝土设计规范，结合内壁的实际受力状态，查混凝土结构设计规范附录C的图可得井壁结构中混凝土抗压强度提高系数可取为1.2～3.0，考虑到井下混凝土施工环境相对较差，为安全起见，取内层井壁混凝土抗压强度提高系数为1.2。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,5.4丁集矿井壁结构设计,井壁结构设计方案,丁集矿井冻结压力取值表,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,表土层下部控制层位井壁结构设计方案,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁结构设计优化,根椐安徽理工大学对混凝土井壁所做的破坏性试验的研究和理论分析，结合国内外对混凝土多轴受力的研究结果，设计认为井筒是一种深埋于地下的厚壁圆筒结构，其中的混凝土是处于复杂应力状态的，其混凝土强度特性与单轴受力情况是不一致的。井壁结构设计应该考虑多轴应力状态下的混凝土强度特性，得出了复杂应力状态下冻结井壁结构中混凝土强度提高系数，优化了井壁结构设计，取消内层井壁中的钢板，改为高强高性能钢筋混凝土井壁。丁集矿副井冻结段下部（500m以下）井壁结构采用如下方案外壁最大厚度1.0m，C70钢筋混凝土结构；内壁最大厚度1.2m，C70钢筋混凝土结构。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结井可缩性井壁接头的工程应用,为减少或避免由于竖向附加力作用而引起的井壁破坏，在丁集煤矿的主井、副井和风井内层井壁分别设置了二道，副井的可缩性井壁接头位于累深415m和535m处，主井和风井的可缩性井壁接头位于累深419m和535m处。当作用在井壁上的竖向附加力达到一定值时，可缩性井壁接头便产生压缩变形，使积聚在井壁内的竖向应力得以释放，从而可防止井壁破坏。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,,可缩性井壁接头现场施工图,,,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,5.6小结,根据井壁结构试验研究结果，提出了新型高强冻结井壁结构设计理论，得出了复杂应力状态下冻结井壁结构中混凝土强度提高系数，优化了井壁结构设计，提高了施工速度，降低了工程造价。针对深厚特殊沉降地层，开发了一种冻结井竖向可缩性井壁接头形式，系统地研究了其力学机理，给出其设计方法，并应用于工程实践。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,特厚表土层冻结法凿井信息化施工监测分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,监测内容,①井壁承受的外荷载；②井壁钢筋的应力应变；③井壁混凝土的应变；④井壁混凝土的温度变化规律。,8.1特厚表土层冻结段井壁信息化施工内、外力监测分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,监测水平,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,冻结压力,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第一水平（-289米）井壁冻结压力随时间变化曲线,副井第二水平（-347米）井壁冻结压力随时间变化曲线,副井第三水平（-417.9米）井壁冻结压力随时间变化曲线,副井第四水平（-438米）井壁冻结压力随时间变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第五水平（-501米）井壁冻结压力随时间变化曲线,风井第一水平（-358.7米）井壁冻结压力随时间变化曲线,风井第二水平（-398.5米）井壁冻结压力随时间变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,由上述图可见，外壁受到的冻结压力在混凝土浇注的头3～10天增长很快，呈直线增长型。这主要是由于土体在形成冻结壁时积聚的大量冻涨能得以释放，产生冻结壁向井内的膨胀位移。同时，冻结壁在地压作用下发生蠕变，当二者的变形受到外壁阻碍时，即产生冻结压力，且增长迅速，尤其是在特厚粘土层。此阶段的冻结压力主要属于变形压力。随后，冻结压力进入曲线增压段，冻结壁内冻土向井心的位移速度减小，冻结压力增长速度变慢，呈曲线状。加上壁后融土逐渐回冻，冻结压力相对缓慢上升。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,钢筋应力,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第一水平（-289米）环向钢筋应力变化曲线,副井第二水平（-347米）环向钢筋应力变化曲线,副井第三水平（-417.9米）环向钢筋应力变化曲线,副井第四水平（-438米）环向钢筋应力变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第五水平（-501米）环向钢筋应力变化曲线,风井第一水平（-358.7米）环向钢筋应力变化曲线,风井第二水平（-398.5米）环向钢筋应力变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,混凝土应变,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第一水平（-289米）混凝土环向应变变化曲线,副井第二水平（-347米）混凝土环向应变变化曲线,副井第三水平（-417.9米）混凝土环向应变变化曲线,副井第四水平（-438米）混凝土环向应变变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第五水平（-501米）混凝土环向应变变化曲线,风井第一水平（-358.7米）混凝土环向应变变化曲线,风井第二水平（-398.5米）混凝土环向应变变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,井壁混凝土温度变化规律水泥水化反应将产生大量的热量，当井壁厚度较大时，混凝土不易散热，使得混凝土内部温度急剧升高，特别是早强高强混凝土的早期强度高，水泥水化放热集中，这一现象将更加突出。实测研究表明普通C50混凝土井壁内温度将达到65℃左右，而周围环境温度较低，井壁混凝土极易产生温度裂缝。因此，对于深冻结井外壁混凝土配合比，必须要掺加矿物掺合料、减小水泥用量，采用高性能混凝土，以降低混凝土水化热，防止井壁出现温度裂缝。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第一水平（-289米）外壁混凝土温度变化曲线,副井第二水平（-347米）外壁混凝土温度变化曲线,副井第三水平（-417.9米）外壁混凝土温度变化曲线,副井第四水平（-438米）外壁混凝土温度变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,副井第五水平（-501米）外壁混凝土温度变化曲线,副井第六水平（-521米）内壁混凝土温度变化曲线,风井第一水平（-358.7米）外壁混凝土温度变化曲线,风井第二水平（-398.5米）外壁混凝土温度变化曲线,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,小结,（1）通过现场井壁内、外力监测，首次获得了500m以上特厚表土层冻结压力和井壁内力实测资料，不仅确保了丁集矿井特厚表土层冻结法凿井的施工安全，也为今后类似矿井井壁结构设计提供了极为有益的参考。（2）特厚表土层的冻结压力大小主要取决于土层性质、层厚和埋深等。对于深埋钙质粘土，由于蠕变特性，冻结压力很大。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,（3）对于特厚表土层的深孔冻结，冻结压力的不均匀性非常明显，对井壁受力不利。（4）外层井壁与井帮之间所设置的聚苯乙烯泡沫塑料板起到了缓压、减压作用，使外层井壁前3天受力较小；同时，它对混凝土的养护起到了很好的保护作用。（5）外层井壁中竖向拉应力和拉应变较大，这主要是约束应力和温度收缩所致。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,（1）测温孔温降趋势分析测温孔温度下降速度冻结速度受到土层土质和土层深度的影响。越深的土层初始温度越高，冷量损失也越小，同一种土质，深度越大则温降梯度越大；而不同的土质，热交换速度不同，所以降温梯度也不同。不同土质在同一深度处，冻结速度的大小关系为粗砾中砂粗砂粘质砂土砂质粘土固结粘土。,8.2冻结壁温度场监测分析,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,（2）冻结壁厚度实测结果分析测温期间，冻结壁厚度随时间发展近似呈抛物线形，前期发展速度较快，后期发展较慢并逐渐减小。冻结壁厚度随这冻结时间和土层性质不同而发展不一致，在冻结到300天时，固结粘土11.4m，砂质粘土10.8m，细砂10.6m。冻结壁设计厚度为11米，由此可见，实测冻结壁厚度和设计冻结壁厚度基本一致。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,（3）冻结壁温度实测结果分析冻结期间，冻结壁平均温度随着时间推移平均温度一直在下降，直到消极冻结期为止。冻结壁平均温度从正温降到冰点过程中，降温速度较快，在冻土冰点附近，冻结壁平均温度降低缓慢，降到冰点以下后，温降梯度加大，但到后期温降梯度越来越小。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,（4）井帮温度实测结果分析井帮温度随着冻结时间推移和掘进深度的增加而不断降低，230米以上砂层井帮平均温度-5℃～-8℃，粘土层井帮平均温度在-2℃左右。但由于上部地压较小，井帮温度基本满足井筒施工要求。230以下砂层井帮平均温度为-12℃～-16℃左右，固结粘土层井帮平均温度为-12℃左右。,淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究及其应用应用报告,淮南矿业集团丁集矿井建设工程项目部,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,1简介,由于丁集矿井三个井筒穿过的表土层特厚，井筒直径又大，目前国内尚无成功的设计和施工经验。为了科学、合理、快速地施工丁集矿深冻结井，确保井筒工程安全，我们在认真落实“淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究”结果基础上，针对丁集矿井粘土层特厚、井径大、地质水文条件复杂的具体情况下，攻克了特厚表土层冻结法凿井施工关键技术，确保了井筒冻结段施工的顺利完成，创出了目前穿越表土层最深、单层粘土层最厚的快速、高效施工的国内最好成绩，取得了显著的社会经济效益，为推动我国特厚表土层冻结法凿井技术进步做出了重要贡献。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,主、副井采用三圈孔冻结方式，中圈主冻结孔深度565米，穿过不透水完整基岩10米，内圈孔采用长短腿差异冻结，短腿穿过强膨胀粘土层终孔，长腿和外圈冻结孔均到达风化基岩带终孔。设备选用目前国内最先进的螺杆压缩机组并合理配备附属设备。冻结初期，采用盐水反循环工艺，以加快上部冻土发展速度，提早开挖、减少或控制片帮；当井筒掘砌到中、下部时，采用盐水正循环工艺，进行强化冻结，降低冻结壁平均温度和井帮温度，同时减少上部冻土对外层井壁的冻胀力，确保井筒冻结与掘砌安全。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,2工程应用简况,1、主井2004年8月1日井筒正式开挖，2005年1月30日施工至557m开始一次套壁，2005年3月24日内壁套壁结束，综合月成井速度为71.3m/月。冻结段外壁采用掘砌混合作业方式，使用整体下行式金属活动模板配铁刃角架砌壁，根据不同土性，段高分别采用3.5m（砂层）和2.4m（粘土层）。冻结表土段施工，外壁采用短段掘砌混合作业方式。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,2、副井2004年6月28日井筒正式开挖，2005年1月24日冻结段外壁施工结束，外壁施工共计用时210天。冻结段内壁施工从2005年2月4日至3月27日，共计用时54天。施工采用人工风铲掘进，大抓装罐，三班掘进，一班砌壁。在粘土层施工中，采取短段掘砌，段高不大于2.4m；冻结段外壁采用综合机械化配套方案，短段掘砌混合作业方式。同时加强冻结，通过选择合理的冻结参数以加强冻结，降低井帮温度，满足建井要求。,2005.4.18,淮南矿业集团安徽理工大学济南煤炭设计研究院,3、风井2004年6月28日井筒正式开挖，2005年1月18日施工至550m开始一次套壁，2005年4月1日在内壁套至井深-9.5m时停止冻结。风井冻结表土段采用人工配合风镐破土，两台HZ-6型中心